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超高性能混凝土(UHPC)基本性能研究综述

所属分类:公司新闻    发布时间: 2021-12-08    作者:admin
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摘   要:基于国内外现有研究,从准静态力学性能、动态力学性能、黏结性能、耐久性这四个方面对超高性能混凝土(UHPC)基本性能的研究成果进行了综述,同时还对其未来的研究方向进行了展望。

关键词:超高性能混凝土;准静态力学性能;动态力学性能;黏结性能;耐久性

0   前言

超高性能混凝土(Ultra-high Performance Concrete,以下简称UHPC)作为20世纪后期诞生的新一代建筑材料,具有超高强、高韧性、高耐久性等优异性能。基于颗粒紧密堆积理论和混杂纤维增强增韧机理,在UHPC力学性能的提高方面有重大突破。和普通水泥基材料相比,UHPC表现出更好的抗压性能、抗拉性能、抗折性能和抗冲击抗爆性能[1]。此外,纤维的掺入对其整体强度的提升有较大影响,且由于其低水胶比、微裂纹效应和自修复效应,UHPC也表现出较好的耐久性[2] 。基于上述优点,UHPC在市政工程、国防工程、核工程等工程领域具有广泛的应用前景,已在桥涵隧道、海洋结构、防爆工程、大跨结构和超高层建筑中大量应用。本文对UHPC的基本性能研究成果进行总结,以期为UHPC更好地应用于实际工程提供参考。

1   准静态力学性能

目前,国内外研究人员对UHPC准静态力学性能的研究已日渐成熟,其准静态力学性能的研究主要包括抗压强度、抗拉强度、抗折强度等、单轴拉压性能、循环拉压性能、多轴压缩性能、劈裂弯曲性能等。本文主要介绍其中的抗压强度、抗拉强度和抗折强度。

1.1   抗压强度

作为一种新型水泥基复合材料,UHPC的抗压强度一直是大家的研究重点。

黄维荣等[3]为了定量研究粗骨料的掺量及粒径对UHPC工作性与力学性能的影响,选用了不同粒径、不同碎石掺量的5组试件进行控制变量法研究。发现当碎石掺量为400 kg/m3时,立方体试件抗压强度和轴心抗压强度达到.大值,分别为136 MPa和134 MPa;碎石掺量一定(400 kg/m3)时,碎石粒径对UHPC抗压强度的提升作用并不明显;UHPC 基体的弹性模量也随着碎石掺量的增加而增大,随着碎石粒径的增大而减小。

有研究发现,在400 ℃时,UHPC会出现爆裂现象[4]。很多学者提出掺入纤维制备UHPC来提高混凝土的耐高温性能。因此,高温下UHPC力学性能的研究也是近年来的热点。CHEN等[5]通过研究高温作用前后,水泥水化产物的微观结构及性能改变直接或间接对UHPC性能产生的影响,分析了UHPC在室温以及经300 ℃、400 ℃、500 ℃、600 ℃高温作用后的力学性能。结果表明,经300 ℃、400 ℃、500 ℃高温作用后,UHPC的抗压强度约为155~157 MPa,并没有明显降低,反而由于升温干燥效应其抗压强度有所增加;经600 °C高温作用后,UHPC基体发生层裂。谢松平等[6]总结了众多研究人员对UHPC耐高温力学性能的研究成果,发现随着温度的升高,UHPC在高温下以及高温后的残余轴压强度呈先增大后减小的趋势;同时,随着钢纤维体积掺量的增加,UHPC在高温下以及高温后的延性和韧性有所提高;为避免产生严重的热膨胀现象,谢松平等[6]建议UHPC中钢纤维的体积掺量控制在2%左右。

1.2   抗拉强度

普通混凝土的抗拉强度比抗压强度低,在结构中的作用相对较小,但当前的技术已经能让UHPC具有10 MPa甚至更高的抗拉强度,可以发挥出一定的结构性作用。钢纤维的掺入能够显著提高UHPC的抗拉性能、抗疲劳性能等。因此,大量有关掺入钢纤维的截面形状、长径比等对UHPC增强、增韧原理的试验研究应运而生。

徐朦等[7]通过固定UHPC的水胶比(0.18)和钢纤维掺量(60 kg/m3),改变掺入钢纤维的长径比,对UHPC进行了基本力学性能测试。结果表明,长径比偏高的钢纤维可以显著提高UHPC的抗拉强度,提高幅度可达80.5%;而长径比较低的2种普通钢纤维,对UHPC抗拉强度的提高幅度仅为17.4%和24.0%;钢纤维的掺入对UHPC静弹性模量的提升幅度较小,仅为4.3%。

为了进一步提高UHPC的抗拉强度和延性,纺织纤维增强UHPC(以下简称TR-UHPC)的研发也成当今热点。ZHAI等[8]制备了不同钢纤维掺量的耐碱玻璃纤维增强TR-UHPC,测试了TR-UHPC的拉伸强度和弯曲性能。结果表明,钢纤维的掺入对试件的初裂应力和抗拉强度有较明显的提高;以混合型纤维部分代替钢纤维掺入,能够等效达到对UHPC抗拉强度及韧性的提升,且当替代的钢纤维体积掺量为1%时,TR-UHPC的延性.高,抗拉强度提升显著。

1.3   抗折强度

在工程中,如路基路面工程,混凝土材料的抗折强度是一项非常关键的控制指标,要想更好地发挥UHPC各项性能的优势,对其抗折性能的研究也十分重要。

苟鸿翔等[9]设计了一种新型钢纤维定向均匀分布方法,通过测试UHPC的抗折强度、抗弯拉强度等性能分析钢纤维掺量及钢纤维定向分布对 UHPC 的增强作用。试验将60根细钢纤维平均分3层,分别设置钢纤维定向埋入角度为 0 °、30 °、60 °。结果表明,随钢纤维体积掺量的增加,试件的抗折强度逐渐增大,在相同钢纤维掺量下,钢纤维定向分布组试件的抗折强度均比乱向分布组更高;试件受弯断裂后,定向分布组试件产生的裂缝宽度更窄,说明可承受荷载和传递荷载的能力更强,可通过分散吸收荷载而表现出更好的弯曲韧性。

养护方式对UHPC的性能提升也有较大影响。ESMAEILI[10]研究了不同的养护方式对钢纤维体积掺量为2%的UHPC性能的提升程度,设置养护方式分别为标准养护、自然养护、热养护、加速水养护和高压蒸汽养护,测试经过不同方式养护后UHPC试件的抗压强度及抗折强度。结果表明,不同养护条件下,UHPC试件抗折强度的提升幅度不如抗压强度的提升幅度明显。相较于28 d标准养护,其他养护方式都能使UHPC试件的抗折强度得到不同程度的提升。在加速水养护条件下,UHPC试件的抗折强度提升幅度.大,约为14%。但在高压蒸汽养护条件下,与抗压强度相比,UHPC试件的抗折强度与28 d标准养护下的差距很小,提升并不明显,这可能是因为在高压蒸汽养护条件下纤维与基体之间的黏结强度较低。

2   动态力学性能

UHPC作为具有超高强度、高韧性和良好耐久性的新型水泥基复合材料,其在特殊工程具有广阔的应用前景,这也促使了研究人员对其动态力学性能的探索,以适应UHPC抗冲击性能及抗爆性能的更高需求。

2.1   抗冲击性能

任亮等[11]试验表明,随着UHPC试件应变率的增加,其动态力学性能不断提高,如峰值压应变、峰值压应力、弹性模量、剪切模量等,这些指标的显著提高表明UHPC的动态增韧效果越好。张文华等[12]研究表明,UHPC的静态抗压强度远大于普通混凝土的强度,这使UHPC与普通混凝土相比,在抵抗动态冲击时的敏感性更低。文献[13]研究表明,UHPC试件的应变率对其动态力学性能的提升具有一定的阈值,低于阈值时,动态抗压强度与准静态抗压强度低;高于阈值时,动态抗压强度则有显著提高,其抗冲击性能越好。TAI[14]在此研究的基础上还指出,此阈值会随着准静态抗压强度的提高而显著提高。由此可见,应变率对UHPC的动态力学性能的提高具有重要作用。

FARNAM等[15]研究表明,掺入钢纤维对UHPC的抗冲击性能的提高贡献较大,而RANADE等[16]研究认为,PE纤维虽然对UHPC单次抗冲击性能的提升作用不明显,但是在反复抗冲击试验中却表现出较强的抗反复冲击的能力。

2.2   抗爆性能

SUGANO等[17]研究表明,在爆炸程度相同时,相比于普通混凝土,UHPC的层裂破坏程度更轻,且大尺寸裂缝的数量更少,可知其抗爆性能高于普通混凝土。田慧等[18]在对UHPC柱抗爆性能的研究中发现,其抗爆性能的决定性因素是UHPC柱端抗剪能力和柱中抗弯能力。

类似于UHPC的抗冲击性能,掺入钢纤维也可提高其抗爆性能。SOUFEIANI等[19]研究表明,仅在UHPC中掺入体积分数为1%的钢纤维就能大幅提高其抗爆性能。与直钢纤维相比,带钩钢纤维对其抗爆性能的提高效果更显著。然而钢纤维对其抗爆性能的提升也有一定的阈值,钢纤维体积掺量超过6%便对其抗爆性能的提高作用不大[20]。

3   黏结强度

由于环境作用、人为因素等各方面影响,随着混凝土结构服役时间越来越长,会产生许多不同程度的损伤,造成安全隐患。因此,需要对混凝土进行修复。UHPC具有良好的力学性能和耐久性,将UHPC应用在混凝土结构修补方面,能使其材料特性得到更大发挥。而在用UHPC修复过程中,其黏结强度至关重要。因此,对UHPC的黏结强度的研究也非常必要。

赵灿晖等[21]对钢筋-粗骨料 UHPC 试件中心拉拔试件进行了加载测试。研究表明,掺入钢纤维后,粗骨料UHPC在没有任何抗剪措施的条件下进行板式中心拉拔试验,能够得到黏结应力-滑移曲线的下降段,应力的逐渐降低而非瞬间消失,证明了钢纤维的掺入能有效提高UHPC的黏结性能;同时在锚固长度足够时,钢筋的保护层厚度可以适当减小。张孝臣[22]的研究表明,为达到美国混凝土协会(American Concret Institude,简称ACI)的要求,使用结构胶作为黏结剂的UHPC试件测试出的剪切强度均满足要求,而使用灌浆料的黏结效果却不能满足要求。沿斜截面对UHPC试件进行剪切,使用结构胶作为黏结剂的UHPC试件的黏结强度和黏结刚度较使用灌浆料的UHPC试件有明显提高。在提升原普通混凝土自身性能方面,季文玉等[23]研究表明,活性粉末混凝土(RPC)-普通混凝土(NC)组合结构界面的抗剪能力随着NC强度的增加而提高,但增长趋势逐渐减缓。

4   耐久性能

作为预期服役寿命.长的结构工程材料之一,UHPC的耐久性能是其.重要的性能之一。UHPC基体的“超高”的密实度和抗渗性,使得渗透性及腐蚀性介质在UHPC中的扩散速率大幅度降低。除了高抗渗性和良好的保护内部钢材耐化学腐蚀能力外,UHPC还具有对抗冻融循环破坏性能、微裂缝自修复性能等。目前,大量针对UHPC耐久性的研究已经开展。

李云峰等[24]通过快速冻融循环试验,探究了不同矿物掺合料对UHPC抗冻融性能的影响。结果表明,水胶比相同时,复掺20%矿粉+20%粉煤灰+10%硅灰时,试件的性能.优,且水胶比为0.21时,试件的质量损失率.小、相对动弹性模量.大,抗冻性.好。董振平等[25]也采用快冻法研究了钢纤维掺量与UHPC冻融破坏的关系。结果表明,掺入适量的钢纤维量可显著降低UHPC试件的质量损失,但掺量过少时会加速其质量损失,这是因为少量钢纤维会增加钢纤维-浆体界面,这往往是冻融循环破坏开始的薄弱界面。而适量钢纤维的掺入(1.5%)可以桥接混凝土内部裂缝,提高其承受膨胀压力的能力。同时,董振平等[25]认为,UHPC冻融破坏主要表现为毛细孔的破坏,而不是相对动弹性模量的损失。因此,在评价掺入钢纤维的UHPC冻融损伤时,以相对动弹性模量为指标并不适合。

王军委等[26]研究了不同矿物掺合料掺量和水胶比对UHPC抗碳化性能及抗氯离子渗透性能的影响。通过RCM法测试了UHPC的氯离子扩散系数及碳化深度。结果表明,水胶比越大,UHPC的抗氯离子渗透性能、抗碳化性能均下降;而随着掺合料掺量的增加,UHPC的抗氯离子渗透性能及抗碳化性能先提高后降低。潘苏锋等[27]认为,适量掺入超细活性粉末可以提高UHPC的密实度,减小孔隙率,使其内部结构致密,有效抑制Cl-和CO2的扩散,从而提高UHPC结构的耐久性。GU等[28]研究了不同养护条件下UHPC在弯曲荷载下的抗碳化能力,发现UHPC棱柱体试件在碳化室中120 d的碳化深度几乎为0,可见UHPC的抗碳化性能较好。

UHPC容易出现表面钢纤维锈蚀的情况,现有研究表明,其锈蚀仅发生在表面,并不会发展到被高强度保护层包裹的内部钢纤维上。除了会引起表面锈坑外,不会影响UHPC的性能。与普通混凝土相比,UHPC表现出更为优异的抗冻融性能、抗氯离子渗透性能及抗碳化性能。因此,可以应用于核反应工程、海上工程等恶劣环境条件下的工程项目。

5   展望

(1)准静态力学性能的研究已相对充分,但目前针对混杂纤维和循环荷载下UHPC准静态力学性能的研究还有待加强。

(2)动态性能的研究对特殊建筑有重要意义,然而关于纤维种类、掺量、形态等对UHPC抗冲击性能、抗爆性能的提升效果方面,国内外研究者并未形成定论,仍需继续深入研究。

(3)黏结性能与耐久性能对UHPC建筑的正常使用意义重大,然而目前对于复掺混杂纤维、纤维的长径比以及形状对UHPC结构界面黏结强度的研究不多,未来的研究中应该重点研究此方面。

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